Магнитные туннельные переходы на основе манганитов : магнитосопротивление, фотоэлектрический эффект, СВЧ детектирование Цикалов, Виталий Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Исследования последних лет показали, что наличие спиновых степеней свободы у носителей заряда проявляется наиболее ярко и порой неожиданным образом, прежде всего, в наноразмерных магнитных и гибридных структурах. Изучение отклика таких систем на протекание спин-поляризованного тока принесли в последние годы много интересных научных результатов и неожиданных сюрпризов, которые сделали весьма привлекательной идею использования спина электрона в качестве активного элемента для хранения, обработки и передачи информации [1,2]. Сформировалось даже целое самостоятельное направление в физике конденсированного состояния - спинтроника. Спинтроника - это мульти-дисциплинарная область науки и техники, центральной темой которой является явление спин- зависимого электронного транспорта в твердых телах и низкомерных структурах. Этот раздел охватывает и интереснейшие фундаментальные вопросы спин-зависимых явлений, и прикладные вопросы, связанные с созданием принципиально новых электронных устройств, построенных на возможности манипулировать спиновыми степенями свободы.

Понятно, что сфера спинтроники весьма обширна, но есть все основания говорить, что на сегодняшний день в сфере внимания исследователей находятся, главным образом, два уникальных явления. Во-первых, это магни- торезистивный эффект в многослойных магнитных структурах и, во-вторых, появление вращающего момента, действующего со стороны спинового тока на локальные магнитные моменты в наноструктурах[3]. В первом случае, магнитное поле используется для управления магнитным состоянием многослойной наноструктуры, позволяя тем самым управлять поляризованным током через нее. Во втором случае, появляется возможность манипулировать магнитным состоянием наноструктуры, используя поляризованный по спину транспортный ток. Более того, эффект переноса спина может вызвать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика с частотами, лежащими в СВЧ диапазоне[4]. Такая прецессия служит источником излучения электромагнитных СВЧ волн, частотой которых можно управлять и при помощи тока, и при помощи магнитного поля. По сути, можно вести речь о возможности создания генераторов СВЧ диапазона, работающих на абсолютно новых принципах.

Механизм переноса спина оказывается ответственным и за обратный эффект - генерацию постоянного напряжения на магнитном туннельном переходе при воздействии электромагнитного СВЧ излучения [5]. И опять речь идет о принципиально новом механизме, на этот раз детектирования, в основе которого взаимосвязь спиновой динамики и поляризованного тока в магнитных наноструктурах.

В полной мере все разнообразие спин-зависимых физических эффектов можно наблюдать в магнитных туннельных структурах. Не случайно считается, что исследования в области туннельного магнитосопротивления и магнитных туннельных контактов в целом стали важным этапом развития спинтро- ники, и интерес к спин-поляризованному транспорту через туннельные структуры только продолжает расти. Именно физическим процессам, имеющим место при протекании тока через магнитные туннельные структуры, посвящена эта работа. Мы остановили свой выбор на магнитных туннельных структурах на основе манганитов. Причины такого выбора следующие. Это, прежде всего, высокая спиновая поляризация электронов проводимости для выделенного семейства манганитов. Кроме того, это относительно высокая температура перехода в ферромагнитное состояние. И, наконец, это достаточно хорошо отработанная технология контролируемого получения тонких пленок этих материалов, в том числе и в составе многослойных структур. На основе экспериментальных и теоретических исследований мы попытаемся проанализировать и оценить преимущества и недостатки использования манганитов в туннельных структурах для решения различных задач спинтроники.

Цель работы. Цель настоящей работы заключается в изучении явлений спин-поляризованного электронного транспорта в системах с магнитными туннельными контактами на основе манганитов. Можно выделить две главные задачи, которые решались при проведении исследований:

1. Исследовать явления спин-зависимого электронного транспорта в магнитной туннельной структуре на основе материала манганита с использованием планарной геометрии, когда ток течет вдоль интерфейсов структуры (геометрия «ток в плоскости структуры»).

2. Провести изучение отклика кооперативной системы магнитных туннельных контактов гранулированного манганита на воздействие СВЧ излучения в комбинации с действием статического магнитного поля и постоянного тока.

Научная новизна.

1. Впервые проведено исследование магнитной туннельной структуры ферромагнитный метал/диэлектрик/ферромагнитный металл (LSMO/LSM_1-5O/MnSi/SiO₂) в геометрии «ток в плоскости». Показано, что особенности транспортных свойств определяются эффектом переключения токовых каналов между слоями структуры. Эффект переключения управляется током смещения через структуру и магнитным полем. Установлено, что механизм влияния магнитного поля - зависимость сопротивления туннельных переходов под токовыми контактами от взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных электродов. Управляемое магнитным полем переключение токовых контактов определяет эффект положительного магнитосопротивления. Величина маг- нитосопротивления зависит от тока смещения. В отличие от стандартной ситуации, когда смещение подавляет туннельный магниторезистивный эффект, в данном случае смещение приводит к увеличению магнито- сопротивления.

2. 1. Впервые обнаружен и исследован фотоэлектрический эффект в магнитной туннельной структуре LSMO/LSMi_-5O/MnSi/SiO₂. Эффект обусловлен генерацией электрон-дырочных пар при межзонном поглощении света в диэлектрическом слое туннельной структуры.

   2. Впервые обнаружен эффект СВЧ детектирования, управляемый магнитным полем в поликристаллическом образце La₀₇Ca₀₃MnO₃, представляющим собой кооперативную систему магнитных туннельных контактов. Проведено исследование эффекта в зависимости от температуры, тока смещения, мощности СВЧ излучения.

   3. Предложена модель, объясняющая магнитозависимый вклад в детектируемое напряжение и поведение этого вклада в зависимости от температуры, тока смещения и мощности СВЧ излучения. В основе модели взаимосвязь спин-поляризованного тока через магнитные туннельные контакты и спиновой динамикой, индуцированной в ферромагнитных гранулах, формирующих магнитные туннельные контакты в образце.

   Практическая значимость. Результаты проведенных исследований позволяют получить дополнительную информацию о процессах, имеющих место в туннельных структурах при протекании спин-поляризованного тока, открыть новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления ими.

   Это может найти применение в получении новых многофункциональных материалов и структур, перспективных для создания устройств микроэлектроники, работающих на новых принципах. Следует отметить, что по результатам исследований, выполненных в данной работе, был получен патент РФ «Магнитоуправляемый детектор СВЧ излучения».

   Достоверность результатов обеспечивается комплексным характером выполненных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами.

   Защищаемые положения.

   2. 3. 1. Результаты исследования транспортных, магнитотранспортных и оптических свойств магнитной туннельной структуры LSMO/LSM_1-5O/MnSi/SiO₂ в геометрии ток в плоскости. Выявление механизмов, ответственных за эффект переключения токовых каналов магнитным полем, током смещения и оптическим облучением.

         2. Исследование эффекта СВЧ детектирования, управляемого магнитным полем в поликристаллическом образце La₀₇Ca₀₃MnO₃ в зависимости от температуры, тока смещения и мощности СВЧ излучения. Построение модели, объясняющей магнитозависимый вклад в детектируемое напряжение.

         Апробация работы. Основные результаты диссертационой работы докладывались на: Евразийском симпозиуме по магнетизму «Magnetism on Na- noscale» (EASTMAG), 2007, Казань; на 8-м международном семинаре: «Radiation Damage Physics of Metal and Alloys», 2009 Снежинск; на 11-ом международном симпозиуме «Порядок, Беспорядок и Свойства Оксидов», 2008, Ростов-на-Дону; на 13-ом международном симпозиуме «Нанофизика и нано- электроника», Нижний Новгород, 2009; на Московском международном симпозиуме по магнетизму (MISM), 2008, Москва.

         Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 111-х страницах машинописного текста, включая 32 рисунка. Библиографический список содержит 92 наименования.

         Похожие диссертации на Магнитные туннельные переходы на основе манганитов : магнитосопротивление, фотоэлектрический эффект, СВЧ детектирование

         

         Магнитокалорический эффект в ферримагнитных соединениях на основе 3d и 4f-металловЦхададзе, Георгий Амиранович

         

         Магнитоструктурные эффекты в пленочных конденсатах на основе 3d-металлов и сплавов редкая земля-переходной металл: исследования и применения Фролов Георгий Иванович

         

         Эффект локального упорядочения в сплавах на основе переходных и непереходных элементов Черенков Валерий Александрович

         

         Влияние температуры на Е-эффект в аморфных металлических сплавах на основе переходных металловГолыгин Евгений Александрович

         ЯМР и эффекты промежуточной валентности в примесных ферри- и феромагнетиках на основе тройных соединений со структурой граната и шпинелиГорбованов Александр Иванович

         

         Магнитная анизотропия и магнитоупругие эффекты аморфных пленок с редкоземельными компонентами и пленочных структур на их основеКулеш Никита Александровича

         

         Исследование эффекта пиннинга на магнитных частицах в высокотемпературных сверхпроводниках и композитах на основе MgB2Тогулев Павел Николаевич

         Магнитокалорический, магнитообъемный эффекты в сплавах La(Fe,Si)13 и циклы магнитного охлаждения на основе данных материаловКарпенков, Алексей Юрьевич

         Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ генераторах на диодах Ганна, работающих в импульсном режиме, и возможности его использования для создания новых типов измерительных устройствАвдеев, Александр Алексеевич

         Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ приборах и возможности его использования для создания новых типов измерительных устройствКоротин, Борис Николаевич